[发明专利]水环境下软体臂在重力和外部载荷下的形态控制方法及装置

说明书

本发明提供一种水环境下软体臂在重力和外部载荷下的形态控制方法及装置，针对受重力或其他外力条件下软体臂的形状进行数学建模分析，首先建立基于纤维束缚的软体臂的几何模型，然后通过最大化体积法、虚功原理计算出软体臂在不受力状态下的姿态或者曲率，并将该曲率作为求解欧拉伯努利梁二阶常微分方程的边界条件，进而分析在水环境中特定内腔压强驱动时，重力或外力作用下软体臂自身姿态，进一步通过打靶法计算指定姿态所需的内腔压强，实现在水环境中对纤维编织型软体臂的精准控制。

技术领域

本发明涉及软体臂控制技术领域，尤其涉及一种水环境下软体臂在重力和外部载荷下的形态控制方法及装置。

背景技术

仿生软体臂主要是通过缠绕包裹的方式实现对水下通信节点的无损伤布放或回收，能够极大便捷通信节点布设工作。和刚性机械臂相比，软体臂是由价格低廉的软材料制作而成，使得其具备高能量密度，高柔性以及自由度可以无穷多。因此它有非常大的潜力被用于复杂地形的探险、医疗手术、人机安全交互以及对目标的无损伤抓取，同时也可以使得人机交互更加的安全。

目前软体臂的驱动方式主要有流体驱动、线驱动、形状记忆合金驱动、电活性聚合物驱动以及混合驱动等。其中，流体驱动类型下包括气压驱动，根据结构的不同，气压驱动型的软体臂还包括纤维编织型、螺旋形、网格型、折纸型和特殊性。

纤维编织型主要是将纤维缠绕在弹性腔上面或嵌入其中，在对弹性腔充气时，会产生纵向和横向两个方向上的膨胀，从而发生形变。在利用纤维编织型软体臂进行特定工作时，现有的控制方法计算较为复杂，容易出现求解不收敛的问题，为了精准控制，就需要一种针对纤维编织型软体臂的准确而精简的控制方法。

发明内容

鉴于此，本发明实施例提供了一种水环境下软体臂在重力和外部载荷下的形态控制方法及装置，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷，解决现有技术缺少对纤维编织型软体臂的精简控制方法的问题。

本发明的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种水环境下软体臂在重力和外部载荷下的形态控制方法，包括：

获取纤维束缚下软体臂在水环境中的形态分析模型，所述形态分析模型在预设纤维线缠绕角度下建立伸长模型，并采用预设材料属性模型约束轴向伸缩比和径向伸缩比；基于最大化体积法和虚功理论根据所述软体臂的形状参数和内腔压强求解所述轴向伸缩比和所述径向伸缩比，并计算所述软体臂末端的曲率，得到边界条件；在设定受力状态下，根据所述边界条件利用欧拉伯努利梁方程计算所述软体臂的位姿；

获取指定应用场景下所述软体臂的形态参数、目标受力状态参数和目标位姿参数，根据所述形态分析模型利用打靶法计算所述软体臂在所述目标受力状态参数和目标位姿参数下所需要输入的目标内腔压强；所述形态参数包括所述软体臂的初始长度、横截面积；所述目标受力状态参数包括受力点位置、受力方向和受力大小；

对所述软体臂输入所述目标内腔压强。

在一些实施例中，所述预设纤维线缠绕角度大于54.73度，所述伸长模型为：

λ₁²(cosψ)²+λ₂²(sinψ)²＝1；

其中，λ₁表示轴向伸缩比，λ₂表示径向伸缩比，ψ表示预设纤维线缠绕角度。

在一些实施例中，所述预设材料属性模型采用不可压缩的材料属性模型，表达式为：

W＝C₁₀(I-3)；